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探寻兼容性这一城市传说的真面目

尝试拆解USB集线器

如果使用电脑等控制电子测量仪器或电源装置,需要设备之间通信。在民用产品中,无线(Wi-Fi,Bluetooth等)占据一定优势;但在测量仪器,电源等工业用途中,则要求具有稳定性和可靠性,因此很多情况下会使用有线。

在工业用途中,典型的有线通信方式有GPIB,RS232C,USB,LAN等。过去,测量仪器通信的主流是“GPIB(General Purpose Interface Bus)”,而最近使用较多的则是USB,LAN。与LAN相比,USB可以更加轻松(如果不熟悉LAN通信的话,确实还是有些困难的…)地使用电脑完成案头实验,构建简易测量系统,使用更加方便。

本篇文章想和大家谈一下在此情况下可能会使用的“USB集线器”。

USB集线器不稳定?

我不知道大家是否遇到过这样的问题?例如,外置硬盘直接连接电脑时没有问题,而通过USB集线器连接时,就会出现时而识别,时而不识别,时而发生异常的情况?

据说,电子仪器也存在“兼容性”等问题。但“如果不实际使用就不清楚是否兼容”的话,是非常不方便的。如果可能,我想知道其中缘由(原因构成)。因此,虽然不算是模仿前辈大塚贤一先生的文章《分解的建议》,但我决定尝试拆解USB集线器。

查看USB集线器内部

在市场上销售的民用产品中,有可以连接4台以上设备的多端口型USB集线器(10端口等)。因此,我购买了普通消费者用10端口USB集线器和工业用USB集线器,对其进行拆解,比较其中差异。

图1 民用10端口USB集线器内部
图2 工业用USB集线器内部

民用10端口USB集线器(图1)配备了三个USB控制器。它并非使用一个芯片控制10个端口,而是通过三个USB控制器芯片进行控制。市面上流通的USB控制器芯片,许多是一个芯片最多控制4个端口的产品。

该产品通过一个USB控制器芯片进行级联(多级连接),连接到另外两个USB控制器芯片(图3)。因此,在10端口USB集线器中,通过级联实现10个端口。

图3 民用10端口USB集线器的结构图(示例)

与之相比,工业用USB集线器没有采用级联,而是使用一个芯片实现多个端口的USB控制。那么,为何工业用USB集线器内部不是级联方式呢?可以想象,USB控制器芯片由于支持端口数不同,成本也会有所差异(支持多端口的控制器芯片价格会更高)。在当今社会,即使是工业用,成本要求也越来越严苛。使用多端口时,利用廉价的芯片可能更有优势。为什么工业用还要使用价格昂贵的芯片呢?

兼容性的本来面目

USB通信标准中规定,集线器上最多可连接127台设备。另外,主机和设备之间最多可以使用5台集线器。

根据我的经验,将主机(电脑等),集线器和USB设备组合使用时,即使满足上述条件,通信也可能不稳定。其原因之一可能就是这种民用多端口集线器。也就是说,从物理角度来讲,即使USB集线器的台数为5台,但其内部采用了级联结构,因此实际构成数量已经超出标准(5台以上)。

如果不了解这种民用多端口集线器结构,当发生异常时,马上归结于“好像兼容性不好”这种毫无根据的原因,从而寻找其他产品的情况不在少数。然而可以想象的结果是,通过使用偶然发现的集线器(未采用内部级联的产品),问题竟莫名其妙地解决了。

民用和工业用的区别

民用和工业用的区别在于对上述不确定现象的思路(可靠性)不同。简而言之,就是“成本与可靠性”。在成本与可靠性之间存在权衡关系。民用重视成本,工业用则重视可靠性。因此,即使从外观上看是具有相同功能的产品,但民用和工业用的实际情况却有区别。

一般来说,工业用途通常被认为价格昂贵。而价格昂贵的原因之一便是“为了确保稳定性甘心承受高成本”的思想(当然也因生产数量少,难以达到民用品的量产效果…)。

如上所述,我们再把主题回到USB上,如果追求通信稳定性,那么主机和USB设备(不使用集线器)进行一对一连接也许是最好的。如果使用USB集线器,我们建议仔细挑选,选择内部没有级联的产品(工业用)。

有一句谚语叫做“疑心生暗鬼”。电子仪器中“毫无根据地误认为‘兼容性’出了问题”就是暗鬼。作为工程师来说,不应受到这种城市传说的影响,需要充分调查原因,查清它的真面目。

TEXT BY
市川 正纪
38坊如何开户?开发部 38坊如何开户?开发课 主任

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